大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂抗震韌性構(gòu)造與施工技術(shù)

藍(lán)建勛 曾金亮

廣東省建筑裝飾工程有限公司 廣東 廣州 510635

建筑結(jié)構(gòu)的抗震研究在最近幾十年已經(jīng)形成了完整的體系，并取得了許多工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，但國(guó)內(nèi)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)模糊，且大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂大都沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。

在21世紀(jì)歷次強(qiáng)震（如2013年四川省蘆山縣7.0級(jí)地震、2011年日本9.0級(jí)地震、2010年智利8.8級(jí)地震、2001年華盛頓地震）中，對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵車站、展覽館、體育館等大跨空間結(jié)構(gòu)非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞（包括吊頂坍塌、吊頂脫落下墜、吊頂龍骨彎折變形、燈具墜落等）遠(yuǎn)大于結(jié)構(gòu)破壞程度，非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)破壞往往會(huì)阻塞逃生通道，影響地震中人員逃生和抗震救災(zāi)，無法在震后救援黃金時(shí)間里發(fā)揮重要作用，加重人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。非結(jié)構(gòu)系統(tǒng)抗震問題與當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展相匹配的問題愈發(fā)凸顯，逐漸引起行業(yè)對(duì)其的關(guān)注[1-8]。

目前，我國(guó)機(jī)場(chǎng)航站樓、高鐵車站、展覽館、體育館等建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展時(shí)期，但這些空間結(jié)構(gòu)吊頂大都沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，航站樓大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂是非結(jié)構(gòu)構(gòu)件典型代表，具有空間大、人流密集等特點(diǎn)，在歷次強(qiáng)震中震害嚴(yán)重。

吊頂在遭遇地震襲擊時(shí)，如何依賴吊頂本身的抗震韌性功能使其特性保持或快速恢復(fù)到地震前狀態(tài)，還缺乏工程經(jīng)驗(yàn)和研究成果，大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂?shù)目拐痦g性亟需深入研究和高度重視。

1 大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂抗震韌性設(shè)計(jì)

1.1 抗震吊頂反應(yīng)特性

空間結(jié)構(gòu)吊頂是指懸吊在空間鋼結(jié)構(gòu)下弦球節(jié)點(diǎn)，具有三維調(diào)節(jié)功能，能適應(yīng)空間結(jié)構(gòu)屋面曲面變化和受力變形的吊頂系統(tǒng)，由吊桿、萬向轉(zhuǎn)接件、龍骨、面板等組成。其獨(dú)特的物理特性使其不但對(duì)地震作用較敏感，而且其反應(yīng)特性也跟主體結(jié)構(gòu)迥然不同：

1）支承于主體結(jié)構(gòu)，其地震反應(yīng)不僅取決于地面運(yùn)動(dòng)特性，而且依賴于主體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

2）反應(yīng)與其在建筑物中所處的位置有關(guān)，相同構(gòu)件對(duì)于地震作用的反應(yīng)會(huì)因其位于不同高度而發(fā)生變化。

3）由于阻尼通常遠(yuǎn)小于主體結(jié)構(gòu)的阻尼，造成整個(gè)組合結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的阻尼分布非常不均勻，因此該系統(tǒng)不具有經(jīng)典阻尼特性。

4）除了受到自身彈塑性影響之外，還會(huì)受到主體結(jié)構(gòu)的彈塑性影響。

5）吊頂系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的連接部位往往不止一處，因而有可能受到各連接部位的不同步運(yùn)動(dòng)激勵(lì)，繼而產(chǎn)生一定的扭轉(zhuǎn)。

1.2 破壞機(jī)理分析

從大量空間結(jié)構(gòu)吊頂震害統(tǒng)計(jì)分析和模擬試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，吊頂?shù)钠茐闹饕杏诨谖灰频淖冃纹茐暮突诩铀俣鹊氖芰ζ茐模约皟烧叩幕旌献饔枚鴮?dǎo)致的破壞。破壞與其型號(hào)、大小、質(zhì)量和連接方法有關(guān)。

1）空間結(jié)構(gòu)吊頂?shù)钠茐哪Ｊ娇梢苑譃榧铀俣绕茐哪Ｊ?、位移破壞模式及混合型破壞模式?/p>

2）較大的豎向加速度引起的吊頂板掉落以及由于與主體結(jié)構(gòu)連接不牢靠而導(dǎo)致的吊桿與主體結(jié)構(gòu)脫離，使吊頂坍塌。

3）較大的位移變形引起吊頂系統(tǒng)吊件失效，龍骨彎折，吊頂板墜落，與墻、柱交界處發(fā)生破壞，這是吊頂系統(tǒng)典型的破壞形式。

4）空間結(jié)構(gòu)吊頂在地震作用下的破壞程度主要取決于其位移響應(yīng)和變形能力。

1.3 抗震設(shè)防目標(biāo)

震害現(xiàn)象表明，即使主體結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)立即使用的性能水平，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞也會(huì)降低整體結(jié)構(gòu)的性能水平。因此，要實(shí)現(xiàn)航站樓等基于性能的抗震設(shè)計(jì)，應(yīng)使主體結(jié)構(gòu)與吊頂?shù)男阅芩絽f(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1）在多遇地震下，吊頂應(yīng)該達(dá)到?jīng)]有破壞，保持或快速恢復(fù)原有外觀和航站樓使用功能。

2）在基本烈度地震下，吊頂雖然被允許發(fā)生比結(jié)構(gòu)構(gòu)件更嚴(yán)重的破壞，但仍需保證航站樓基本使用功能不會(huì)受到影響，吊頂即使發(fā)生損壞也可在修理下繼續(xù)使用，甚至不需修理便可自動(dòng)快速恢復(fù)原有功能。

3）在罕遇地震下，吊頂即使發(fā)生較嚴(yán)重的破壞但仍需保證不坍塌，生命安全能得到保障。

1.4 抗震構(gòu)造基本要求

根據(jù)對(duì)空間結(jié)構(gòu)吊頂破壞機(jī)理以及破壞模式的分析，針對(duì)此類吊頂抗震的薄弱環(huán)節(jié)，采取相應(yīng)的吊頂抗震構(gòu)造措施。

1）吊頂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)自身要有足夠抗震能力。

2）吊頂與空間結(jié)構(gòu)連接必須牢固。

3）水平或三維方向要有足夠的位移響應(yīng)和變形能力。

4）構(gòu)件連接要有防松脫措施。

5）地震后，能維持與快速恢復(fù)建筑功能。

2 航站樓大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂韌性抗震關(guān)鍵施工技術(shù)

2.1 工程概況

某國(guó)際大型機(jī)場(chǎng)南北方向長(zhǎng)約850 m，東西方向?qū)捈s1 120 m，屋蓋投影面積18萬 m2，網(wǎng)架最大跨度72 m，最高點(diǎn)標(biāo)高72.91 m，吊頂面積約18萬 m2，整個(gè)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)下采用穿孔鋁板吊頂，吊頂根據(jù)網(wǎng)架曲線變化而變化（圖1）。該機(jī)場(chǎng)處于小江斷裂帶和地質(zhì)破碎帶，抗震設(shè)防烈度為8.2度，抗震設(shè)防要求高，吊頂系統(tǒng)需要采取抗震構(gòu)造措施。

圖1 航站樓大跨空間吊頂

2.2 主要施工工藝

2.2.1 放線定位

1）布設(shè)控制點(diǎn)：使用三維激光掃描儀對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再將采集數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)模型坐標(biāo)復(fù)核，并提取出網(wǎng)架球控制點(diǎn)坐標(biāo)及網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)的基準(zhǔn)線坐標(biāo)，對(duì)球節(jié)點(diǎn)逐一編號(hào)。

2）采用BIM放樣機(jī)器人逐個(gè)復(fù)測(cè)各球節(jié)點(diǎn)位置，計(jì)算吊頂完成面距離球點(diǎn)的垂直距離并標(biāo)注在球節(jié)點(diǎn)上，作為吊頂施工高程控制點(diǎn)，該點(diǎn)必須考慮鋼網(wǎng)架施工過程中的變化及受屋蓋荷載影響而產(chǎn)生的下沉量，并考慮網(wǎng)架結(jié)構(gòu)變化移位的因素，特別是出現(xiàn)個(gè)別下沉較大的網(wǎng)架球點(diǎn)時(shí)，必須適當(dāng)調(diào)整吊頂完成面高程，給吊頂足夠調(diào)整的空間距離。

2.2.2 下弦球節(jié)點(diǎn)上安裝專用支座

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，在下弦球節(jié)點(diǎn)上定位吊頂支座。對(duì)于收邊位置，如柱子、外幕墻等處，則按照要求采用特制的支座，安裝在下弦桿上。吊頂支座必須定位準(zhǔn)確、安裝牢固。

2）吊頂單元通過連接件與網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)預(yù)設(shè)安裝板進(jìn)行螺栓連接，連接結(jié)構(gòu)不需現(xiàn)場(chǎng)焊接，結(jié)構(gòu)牢固，工效高，可三維調(diào)節(jié)（豎向調(diào)節(jié)長(zhǎng)度不受限制，平面X、Y向調(diào)節(jié)長(zhǎng)度均為110 mm），實(shí)現(xiàn)吊頂系統(tǒng)第一級(jí)三維可調(diào)。

3）如果局部吊裝盤安裝坐標(biāo)和下弦球節(jié)點(diǎn)有偏差，則將特制吊頂支座安裝在下弦桿上，吊桿與網(wǎng)架下弦桿圓箍套連接。

4）將抗震斜撐抱箍安裝在離下弦球軸心300～400 mm距離，抱箍與網(wǎng)架接觸面墊2 mm厚膠墊，抗震斜撐與網(wǎng)架下弦桿夾角應(yīng)為45e ～60e （圖2）。

圖2 吊頂與連接件上、下螺母固定示意

5）網(wǎng)架下弦無球連接的，則采用三爪吊件通過拉桿從網(wǎng)架腹桿連接（圖3），拉桿中間調(diào)節(jié)套筒可調(diào)節(jié)長(zhǎng)度，頂端與抱箍鉸接點(diǎn)設(shè)置抗震橡膠墊，抱箍安裝在網(wǎng)架腹桿的中段位置。

圖3 三爪連接吊件

2.2.3 連接螺桿安裝及上限位螺母安裝

將直徑為20 mm的螺栓吊軸插入吊頂支座的螺桿孔內(nèi)，然后依據(jù)放線定出上限位螺母位置，再將上限位螺母裝在螺栓吊軸上。

2.2.4 安裝轉(zhuǎn)動(dòng)吊盤

將轉(zhuǎn)動(dòng)吊盤裝入螺栓吊軸，擰上下限位螺母，法蘭安裝盤即通過螺栓吊軸固定在主屋面鋼網(wǎng)架上。100C形主龍骨通過活動(dòng)轉(zhuǎn)接件組框，轉(zhuǎn)接件和萬向轉(zhuǎn)動(dòng)吊裝盤的懸挑臂固定（圖4），以適應(yīng)不規(guī)則吊頂，同時(shí)可在地震作用后依據(jù)自身重力自動(dòng)恢復(fù)震前狀態(tài)。吊裝盤有4個(gè)方向的懸挑臂，用于吊裝龍骨結(jié)構(gòu)框架（圖5），可任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)和水平方向位移調(diào)節(jié)，通過該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)吊頂系統(tǒng)三維可調(diào)。

圖4 轉(zhuǎn)動(dòng)吊盤連接構(gòu)造節(jié)點(diǎn)

圖5 萬向轉(zhuǎn)盤鉸式結(jié)構(gòu)透視

2.2.5 安裝C形主龍骨

把C形主龍骨安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)連接件上，并用螺栓緊固。安裝后調(diào)節(jié)至水平順直。

2.2.6 安裝C形副龍骨

把C形副龍骨用特制吊件掛裝在主龍骨上，并用螺栓緊固。相鄰2支龍骨用連接件連接，相鄰2排龍骨接口位置錯(cuò)開，安裝后調(diào)節(jié)至水平順直。

2.2.7 安裝面板掛件

按排布距離安裝面板掛件，吊頂鋁板采用專用掛件固定在副龍骨上，條板卡齒掛件采用組合點(diǎn)式安裝，并用M6 mmh 20 mm螺栓緊固，鋁板與鋁板間留縫30 mm，滿足吊頂位移要求（圖6），鋁合金面板每件板能單獨(dú)拆卸。

圖6 鋁板連接節(jié)點(diǎn)

集成燈帶通過吊桿和主副龍骨連接。

2.2.8 安裝鋁合金沖孔板

確定天花安裝軸線，并從軸線開始依照相應(yīng)的次序安裝，把三元乙丙橡膠片套接在板面折邊上，并卡在面板掛件的卡槽里，再緊固螺絲。不同單元需要調(diào)整板面的縫隙，做到平滑、順直（圖7）。

圖7 鋁板與副龍骨卡齒掛件連接

2.2.9 安裝中柱

中柱收口位置采用抗震韌性構(gòu)造，單元吊頂系統(tǒng)與柱子為韌性連接。連接構(gòu)件單元包含抱箍、調(diào)節(jié)矩形桿、抗震彈簧、雙耳掛片、彈簧片（圖8）；采用曲臂車將工廠預(yù)制加工連接件臨時(shí)固定在鋼結(jié)構(gòu)柱上，抱箍與鋼結(jié)構(gòu)柱間放置3 mm厚橡膠墊，調(diào)好連接桿的方向后緊固，單元吊頂連接耳穿入連接桿的雙耳掛片并用內(nèi)六角螺絲緊固。

圖8 吊頂與中柱抗震連接

2.2.10 安裝外飄檐

空間結(jié)構(gòu)外飄檐吊頂單元采用支撐柱和網(wǎng)架下弦球節(jié)點(diǎn)板螺栓連接，通過 關(guān)節(jié) 鉸接式連接板將鋁面板和副龍骨螺栓連接，實(shí)現(xiàn)吊頂三維可調(diào)，有效適應(yīng)網(wǎng)架受力變形、地震作用及風(fēng)荷載作用，滿足吊頂曲面造型要求（圖9）。

圖9 三維可調(diào)外飄檐吊頂節(jié)點(diǎn)

2.2.11 伸縮縫處理

1）吊頂系統(tǒng)伸縮縫構(gòu)造與空間結(jié)構(gòu)相同位置設(shè)置吊頂伸縮縫（圖10）。

圖10 吊頂伸縮縫節(jié)點(diǎn)

2）與幕墻收邊位置，吊頂系統(tǒng)與幕墻斷開（圖11）。

圖11 吊頂與幕墻連接節(jié)點(diǎn)

3 結(jié)語(yǔ)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)模糊，大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂大都沒有進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，其抗震設(shè)計(jì)也存在建筑、結(jié)構(gòu)、裝修權(quán)責(zé)不明現(xiàn)象，大跨空間結(jié)構(gòu)吊頂及其他典型非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震亟需深入研究和高度重視。

近年來，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展，人財(cái)物高度集中，基礎(chǔ)設(shè)施與生命線工程越來越尖端、復(fù)雜，全社會(huì)對(duì)地震防災(zāi)、減災(zāi)、救災(zāi)提出了更高的要求，常規(guī)抗震已經(jīng)不能滿足當(dāng)下的發(fā)展需求，抗震韌性是抗震研究的新方向。